汪元鋒

(湖南交通國際經(jīng)濟工程合作公司，湖南長沙 410011)

0 引言

橋梁的建設(shè)過程包括橋梁設(shè)計和施工。橋梁在施工過程中會存在一些問題，其中比較關(guān)鍵的一些問題包括施工安全問題，橋梁施工能否保證實現(xiàn)橋梁的設(shè)計成橋狀態(tài)的問題以及橋梁施工過程中的誤差控制，如何根據(jù)誤差對施工過程進行調(diào)整等等。因為上述問題的存在，所以我們要對橋梁的施工過程進行前期計算，以此來確定橋梁的合理施工順序和關(guān)鍵的工程控制量，以此保證施工安全和設(shè)計的成橋狀態(tài)的實現(xiàn)。

拱橋的節(jié)段施工常采用無支架纜索吊裝法，后來又發(fā)展出千斤頂鋼絞線斜拉扣掛法。采用千斤頂斜拉扣掛技術(shù)進行施工，在整個懸拼架設(shè)的過程中，每扣掛一段即與上段固結(jié)，克服了傳統(tǒng)卷揚機滑輪組合龍技術(shù)中多鉸穩(wěn)定性差的缺陷，并使拱橋的合龍難度與分段多少無關(guān)。但由于施工過程中，拱肋間采用固定連接，扣索索力不宜經(jīng)常調(diào)整，為確保拱肋的合龍精度，每段拱肋吊裝施工前，都應(yīng)預先確定拱橋的施工狀態(tài)，確定合乎實際的吊點標高的預抬高值和扣索索力。

目前大跨度鋼管混凝土拱橋普遍采用無支架纜索吊裝斜拉扣掛方法進行施工，施工過程中扣索索力和預抬高量的計算以及合理的吊裝順序的確定已成為施工單位和施工控制的一個重要內(nèi)容。一般而言根據(jù)工程經(jīng)驗確定一個施工順序，在這個基礎(chǔ)上確定合理的工程控制量。鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛施工方法中的控制量則為扣索合理初始張力值以及拱肋的預抬高量。以往采用的計算方法通常有力矩平衡原理［1］和零彎矩法［2］計算纜索吊裝過程中的扣索索力，但是這種方法基于手工計算，計算精度低，所以只用于5段以內(nèi)拱肋節(jié)段吊裝索力的計算。然而近年來已建和在建的鋼管混凝土拱橋跨徑通常都在200 m以上，拱肋節(jié)段較多，所以常規(guī)的索力計算方法已很難適用。針對這一情況，許多專家和學者提出了各種不同的索力計算方法［3－6］。然而，上述幾種計算方法，只能單獨計算索力，不能計算拱肋的預抬高量，所以都有一定的使用范圍。

針對大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程中采用邊安裝邊焊接的施工特點，本文采用基于正裝分析的有限元法能方便有效地確定施工過程中的扣索索力和預抬高量。該方法的具體思想是計算當前扣索索力時，把當前扣索模擬為剛度無窮大的桿單元，而對已施工節(jié)段的扣索模擬為實際剛度的桿單元，已施工的拱肋節(jié)段考慮為彈性體。利用本文方法可以解決斜拉扣掛施工過程中扣索索力和預抬高量的計算問題，而且按本文方法計算的扣索索力和預抬高量進行施工，除了初始張拉索力外，施工過程中不需要再調(diào)整索力。

1 初定施工順序的扣鎖合理初張力和預臺量的計算方法

1.1 基本假設(shè)

1)主拱圈合龍前拱腳處設(shè)為鉸接;2)扣索與塔架為剛性連接，且塔架無位移。

1.2 結(jié)構(gòu)計算模型和基本計算思路

文獻［2］中提出，施工過程中計算的關(guān)鍵是扣索初始張拉力的確定?？鬯鞒跏紡埨Υ_定的基本原則:①初始張拉力不能超過扣索容許值，對預應(yīng)力鋼絞線，扣索容許索力一般取其40%破斷力作為其容許值，即有2.5倍的安全系數(shù);②以吊裝張拉本節(jié)段，使本節(jié)段扣索處的伸長量接近零時的扣索索力作為該扣索的初始張拉力。由于扣索索力由吊裝本節(jié)段時的初始張拉力和后續(xù)節(jié)段吊裝時產(chǎn)生的索力增量兩部分組成，因此，必須采用仿真施工過程計算，將計算所得的索力增量與扣索索力值相加，作為下一個階段吊裝時該扣索的總索力值，反復計算，就可以計算出合龍時各索的索力值。

橋梁施工過程計算中，倒拆法和正裝迭代法是確定拱橋合理施工狀態(tài)的兩個主要方法。倒拆法以成橋理想狀態(tài)為初始狀態(tài)，按實際施工相逆的步驟，逐步拆去每一個施工項對結(jié)構(gòu)的影響，從而確定結(jié)構(gòu)在施工各階段的狀態(tài)參數(shù)。該方法在拆除合龍段時，常有不平衡桿端力的影響;另外由于結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，也增加了倒拆法的計算誤差;當施工步驟比較復雜時，該方法幾乎難以求得精確的解。正裝迭代法采用大循環(huán)的順裝分析來確定橋梁的合理施工狀態(tài)。其計算特點是:它先給各設(shè)計變量一個初始的假定值，然后嚴格遵循實際的施工順序，一步一步進行結(jié)構(gòu)分析;根據(jù)計算結(jié)果來修正初始設(shè)計變量的值以便重新迭代計算，直到目標函數(shù)達到滿意的計算精度為止。本文結(jié)合文獻［2］中提出的扣鎖初張力和預臺量計算方法和結(jié)構(gòu)施工過程的正裝迭代計算思路確定施工過程中的扣鎖的合理初張力，并且運用成橋狀態(tài)的計算數(shù)據(jù)進行驗證，說明本方法的合理性。

鋼管拱肋在吊裝階段實際是一個多點彈性支承曲梁，因此，索力計算需采用空間程序仿真計算。本文采用大型通用有限元程序ANSYS進行計算，計算時拱肋采用空間直梁單元來模擬，扣索用桿單元來模擬。根據(jù)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的對稱性，取其半邊拱肋結(jié)構(gòu)進行分析。

2 工程結(jié)構(gòu)概況及合理施工順序模擬思路

張家界張花高速公路某鋼管混凝土拱橋起點樁號為 k85+054.860，終點樁號為 k85+633.140，橋跨布置為:5×30 m T梁+252 m(凈跨徑)上承式鋼管混凝土拱橋+5×30 m T梁，全長578.28 m。主橋主拱圈為整體式結(jié)構(gòu)，由兩條拱軸組成，拱肋為等截面四管全桁式結(jié)構(gòu)。主拱肋計算跨徑L=255 m，計算矢高f=46.364 m，矢跨比為 1/5.5，設(shè)計拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.65。拱上建筑采用空腹梁式拱上建筑，橋面系左右幅分離，行車道板采用14×19.43 m橋面連續(xù)簡支小箱梁。

主拱施工采用無支架纜索吊裝系統(tǒng)分段吊裝就位、斜拉扣掛定位的方式合龍形成空鋼管拱肋，拱肋節(jié)段施工過程中，然后在主管內(nèi)灌入混凝土形成鋼管混凝土承重結(jié)構(gòu)，再施工拱上建筑成橋。

根據(jù)施工實際情形，節(jié)段與節(jié)段之間先采用鉸接模擬，在全橋合龍之后改為鉸接，這樣模擬主要是考慮在施工過程中拱肋的線形在不斷地變化過程中，直接剛接的話，對于超靜定結(jié)構(gòu)這種變化會產(chǎn)生內(nèi)力。施工中的實際情形為節(jié)段間接頭及合龍段在吊裝階段通過上、下弦桿內(nèi)設(shè)置的內(nèi)法蘭臨時栓接，待拱肋合龍并調(diào)整拱軸線線性后再將接頭鋼管焊接;此外，拱腳處在合龍之后進行封鉸，形成固端。

根據(jù)施工方案，纜索吊裝系統(tǒng)按大橋走向布設(shè)，主跨徑488 m，張家界岸后錨碇跨徑為145 m，花垣岸后錨碇跨徑為100 m。張家界岸塔頂比花垣岸塔頂高15 m。纜索吊機由吊裝系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)組成，全橋共設(shè)兩套吊裝系統(tǒng)、4個吊具，單套起重量70 t。吊裝系統(tǒng)由吊塔、吊錨及吊裝索纜等構(gòu)成，穩(wěn)定系統(tǒng)由平衡索、抗風索等構(gòu)成。

斜拉扣掛系統(tǒng)由拱肋錨固點、扣塔、扣索、塔頂張拉扣點、錨索和錨索地錨等六大部份組成?？鬯韶惱灼囱b組成，張家界岸扣塔布置在5號過渡墩上，高12 m，花垣岸扣塔布置在6號過渡墩上，高9 m?？鬯饕欢斯潭ㄓ谥鞴袄叨说腻^固點，另一端在扣塔塔頂張拉扣點上張拉、調(diào)整。錨索一端固定于地錨端的錨固點，另一端在扣塔塔頂張拉扣點上張拉、調(diào)整。扣塔兩側(cè)對應(yīng)的扣索及錨索的張拉及調(diào)整應(yīng)分級同步張拉。扣索、錨索均采用Φ 15.24低松弛高強度鋼鉸線。

具體施工加載程序如下:

1)吊裝準備。分層澆筑拱座、過渡墩，預埋拱腳預埋件;拼裝吊、扣塔，施工吊、扣錨碇，架設(shè)纜索，試吊。

2)鋼管吊裝。吊裝拱肋第1段，拱腳臨時鉸接，張拉1#扣索→吊裝拱肋第2段，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉2#扣索，安裝7#橫撐→吊裝拱肋第3段，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉3#扣索，安裝6#橫撐→吊裝拱肋第4段，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉4#扣索→吊裝拱肋第5段，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉5#扣索，安裝5#橫撐→吊裝拱肋第6段，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉6#扣索，安裝4#橫撐→吊裝拱肋第7段，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉7#扣索，安裝3#橫撐→吊裝拱肋第8a段(張家界岸)及第8b段(花垣岸)，與前一段間用內(nèi)法蘭栓接，張拉8#扣索→安裝合龍段(內(nèi)法蘭栓接)，安裝2#、1#橫撐→根據(jù)需要調(diào)整扣索索力，以拱肋加工線形為目標校核高程，從拱頂向拱腳依次對稱焊接合龍段及各節(jié)段接頭(先擰緊螺栓再施焊)→拱腳上、下弦管端頭與拱座預埋管焊接，澆注封鉸混凝土，形成無鉸拱。

3)松扣、灌裝管內(nèi)混凝土。從跨中8#扣索向兩岸1#扣索對稱分5級(每級放1/5)依次放松，共5個循環(huán)完成松扣，但不拆除。泵送主管混凝土，灌裝順序為:下弦外側(cè)主管→下弦內(nèi)側(cè)主管→上弦外側(cè)主管→上弦內(nèi)側(cè)主管，要求對稱同步進行，管內(nèi)混凝土達到80%后方能灌裝下一組鋼管。最后一根主管內(nèi)混凝土強度達到90%后，拆除扣索。

4)拱上建筑施工。從兩岸向拱頂對稱吊裝拱上立柱→從兩岸向拱頂對稱灌裝立柱鋼管混凝土→從兩岸向拱頂對稱吊裝蓋梁→安裝小箱梁，安裝順序為:從兩岸向拱頂對稱依次安裝3跨，然后安裝拱頂附近的兩跨，最后從兩岸向拱頂對稱安裝其余3跨→從兩岸向拱頂對稱現(xiàn)澆小箱梁橫向濕接縫，調(diào)平層、防撞欄桿→從一側(cè)向另一側(cè)單邊推進施工橋面鋪裝。

3 各個關(guān)鍵施工工況下鋼管截面的應(yīng)力及位移計算結(jié)果

3.1 扣索拆除后拱肋各點應(yīng)力及變形結(jié)果

扣索拆除后上下弦桿鋼管各點的最大應(yīng)力(鋼管初應(yīng)力)和相應(yīng)時刻的變形結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 扣索拆除后上下弦桿鋼管各點的最大應(yīng)力

圖2 扣索拆除后上下弦桿鋼管各點變形結(jié)果

3.2 灌筑完混凝土后應(yīng)力及變形結(jié)果

該時刻的鋼管截面應(yīng)力結(jié)果和該時刻拱肋四分點處的位移值如圖3、圖4所示。

圖3 灌筑完混凝土后鋼管截面應(yīng)力結(jié)果

圖4 灌筑完混凝土后鋼管節(jié)點豎向位移

3.3 成橋時刻應(yīng)力及變形結(jié)果

該時刻的鋼管截面應(yīng)力結(jié)果和該時刻拱肋四分點處的位移值如圖5、圖6所示。

3.4 10 a徐變后應(yīng)力及變形結(jié)果

該時刻的鋼管截面應(yīng)力結(jié)果和該時刻拱肋四分點處的位移值如圖7、圖8所示。

圖5 成橋時刻鋼管截面應(yīng)力

圖6 成橋時鋼管豎向位移

圖7 考慮10 a徐變鋼管截面應(yīng)力

圖8 考慮10 a徐變鋼管節(jié)點豎向位移

4 結(jié)語

1)上述數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合。根據(jù)上述各圖顯示結(jié)果可看出，以合理成橋狀態(tài)為目標在本文提出的施工順序的基礎(chǔ)上，根據(jù)本文提出的扣鎖索力和預提量的確定方法得到的扣鎖初始張拉力和預提量是合理的，能保證合理成橋狀態(tài)的實現(xiàn)。由此可見本文提出的施工順序即為一種合理的施工順序可供施工單位參考選用。

2)本文采用應(yīng)力疊加法對鋼管混凝土拱橋的施工過程進行受力分析。應(yīng)力疊加法是考慮主拱肋在形成的過程中，各個節(jié)段的截面特性及荷載情況而分別計算其內(nèi)力，然后在截面相應(yīng)纖維處疊加起來。施工節(jié)段的計算按照彈性理論進行。對施工過程采用容許應(yīng)力法對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行強度控制。該計算結(jié)果能很好地用于施工監(jiān)控工作當中，達到了計算目的。

3)大跨度鋼管混凝土拱橋節(jié)段施工過程中扣索索力和預抬高量的確定是保證施工質(zhì)量和安全的重要措施，本文提出的有限元方法能方便有效地解決扣索索力和預抬高量的計算問題，而且按本文方法計算的索力和預抬高量進行施工，除初始張拉扣索外，施工過程中不需要再調(diào)整索力，因此能夠減少施工量，縮短工期。

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